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Dipl. Ökol . Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie

Dipl. Ökol . Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie Westfälische Wilhelms-Universität Münster. Luft und Luftbelastung: Fachwissen zu den Themen Luft, Treibhauseffekt, Ozon und Saurer Regen. Lehrerfortbildung. Eine Zusammenfassung von

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  1. Dipl. Ökol. Nina Harsch FachbereichChemie und Pharmazie – InstitutfürDidaktikderChemie WestfälischeWilhelms-UniversitätMünster Luft und Luftbelastung: Fachwissen zu den Themen Luft, Treibhauseffekt, Ozon und Saurer Regen Lehrerfortbildung EineZusammenfassung von Nina Harsch UniversitätMünster Deutschland 2011

  2. Gliederung • Luft Folie 3 - 6 • Treibhauseffekt Folie 7 - 15 • Ozon Folie 16 - 27 • Saurer Regen Folie 28 - 33 • ZusammenfassungFolie 34 - 35

  3. 1. LUFT • Leitfragen: • Wie hat sich die Luft historisch entwickelt? • Wie ist sie heute zusammengesetzt? • Wie ist sie geschichtet?

  4. Entwicklung der Atmosphäre Luft 4,5 Mrd. 4,3 Mrd. 2 Mrd. Keine Atmosphäre. Meteoriteneinschläge, Vulkanausbrüche. Starke Erhitzung der Erde => Entgasung. • 90 % Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. • Zunächst extremes Treibhausklima. • Entweichen leichter Gase (z.B. H2) in den Weltraum. • Langsame Abkühlung. Wasserdampf: Kondensation. • Kohlenstoffdioxid: Lösung im Urozean. => Kalk. Zeitraum [Jahre vor heute] • 2 % Sauerstoff.Photosynthese und Atmung. Nach: Glaubrecht et al., Begleitbuch Evolutionsausstellung Berliner Museum für Naturkunde, Prestel 2007 (verändert)

  5. Zusammensetzung der Luft Luft Nach: Schultz, Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg (verändert) Wasser- dampf: 0,4 - 4 % (variabel) 1 Vol % = 10 000 ppm 1 ppm = 1.000 ppb 1 ppb = 1.000 ppt

  6. Schichtung der Atmosphäre Luft Druck und Dichte der Luft nehmen mit der Höhe ab. Nach: Allgemeine Meteorologie Nr. 1, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach, 1987 (verändert) • Ozonschicht: • Maximale Dichte in ca. 20 km Höhe Nach: Center for Science Education, University of California at Berkeley (verändert) Nach: Global Change Program, University of Michigan (verändert)

  7. 2. TREIBHAUSEFFEKT Leitfragen: • Wie funktioniert der Treibhauseffekt? • Wie funktionieren Treibhausgase? • Welchen Einfluss haben sie? • Welche Folgen hat der Treibhauseffekt?

  8. Treibhauseffekt: Funktionsweise Treibhauseffekt • Solarstrahlung: Sichtbare Strahlung, kurzwellig • Terrestrische Strahlung: Wärmestrahlung, langwellig • Die Sonne sendet kurzwellige Strahlung zur Erdoberfläche. • DieErdoberfläche absorbiert die kurzwellige Strahlung und re-emittiert sie in Form von langwelliger Strahlung. • Die Treibhausgase absorbieren die langwellige Strahlung und re-emittieren sie anschließend in alle Richtungen. Nach: Hötteke et al., Den Treibhauseffekt verstehen, Unterricht Physik 20, 2009 (verändert). • Erwärmung der • Troposphäre • natürlich • verursacht • anthropogen • verursacht

  9. Treibhausgase: Funktionsweise Treibhauseffekt Treibhausgase absorbieren Infrarotstrahlung. 3D-Moleküle: http://www.chemie-interaktiv.net/ (verändert) • Dipolmoment: Durch Schwingungen variierbar. • Schwingungen: Durch Strahlungsabsorption ausgelöst.

  10. Treibhausgase: Funktionsweise Treibhauseffekt • Schwingungsarten: • a) Valenzschwingung: Bindungslängen ändern sich (Streckschwingung). • b) Deformationsschwingung: Bindungswinkel ändern sich (Beugeschwingung).

  11. Treibhausgase: Funktionsweise Treibhauseffekt • Absorption von IR-Strahlung: • Schwingungsfrequenz • erhöht sich durch: • feste Bindung • geringe Masse • der schwingenden Atome Deformationsschwingung:Leichter anzuregen, als Valenzschwingung • Temperaturunabhängiger Prozess.

  12. Treibhausgase: Einfluss Treibhauseffekt Solare Einstrahlung: 0,4 - 0,8 μm Durch Ozonschicht absorbiert: UV-Strahlung Durch Wasserdampf absorbiert: nahes Infrarot Terrestrische Ausstrahlung: 3 - 100 μm Maximum: 10 μm Absorption durch Treibhausgase: 1 - 100 μm Minima: 3,5 μm, 5 μm, 8 μm, 13 μm Jedes Gas hat eine spezifische Absorptionsbande. Nach: Hoffman, Simmons, The Resilient Earth: Science, Global Warming and the Fate of Humanity, 2008. Weischet, Endlicher: Einführung in die Allgemeine Klimatologie, 2008. (verändert)

  13. Treibhausgase: Einfluss Treibhauseffekt Werte aus:Berner & Streif (2001),Bliefert (2002), IPCC (2007),Jacobeit (2007), Hoffman & Simmons (2008), Weischet & Endlicher (2008), Buck & Hohl (2010) (z.T. gemittelt). .

  14. Treibhauseffekt: Folgen Treibhauseffekt • Natürlicher Treibhauseffekt: ΔT = 34 °C • Erhöht die mittlere Globaltemperatur von -18°C auf +15°C. • Ermöglicht das Leben auf der Erde. • Anthropogener Treibhauseffekt: ΔT = 1,6 °C • Hat die mittlere Globaltemperatur von 15°C auf 16,6°C • erhöht und wird sie bis 2100 auf bis zu 18,5°C erhöhen. Beide Grafiken nach: IPCC, 2007 (verändert)

  15. T ↓ T ↑ Albedo ↑ Wolken ↑ Treibhauseffekt: Folgen T ↑ CH4↑ Verdunstung ↑ CH4↑ Ozeantemperatur ↑ Methanhydrate instabil Permafrost taut T ↑ Temperatur- Anstieg Albedo ↓ Ozean- Versauerung Eisschmelze Salzgehalt ↓ Meeresspiegel ↑ T ↑ Ozeanströmungen ↓ Überschwemmungen CO2↑ Klimawandel Waldrodung Lebensraum ↓ Extrem- Wetter- lagen Kürzere Winter, längere Sommer Klimazonen-Verschiebung Artensterben Migration Tiere und Menschen Krieg Dürren Krankheiten Hunger T ↓ Desertifikation Albedo ↑

  16. 3. OZON Leitfragen: • Was beeinflusst den Ozonkreislauf? • Was ist stratosphärisches Ozon? • Was ist troposphärisches Ozon? • Zusammenhang zum Treibhauseffekt? Cartoon von F. Moser, Wien (2011)

  17. NatürlichAnthropogen Ozon: Einflussfaktoren Ozon O2 NOx O3 CO VOC CH4 FCKW HO2● OH●

  18. Ozon: Einflussfaktoren Ozon A

  19. Ozon: Einflussfaktoren Ozon A

  20. Eigenschaften von Ozon Ozon • Ozon • Entdeckung durch Schönbein (1840) • farblos, stechender Geruch • ätzend, toxisch, brandfördernd • treibhausaktiv • Ozon in der Stratosphäre:(15 - 40 km Höhe) • natürliches Vorkommen • 200 - 450 Dobson Units • UV-Absorption durch O3 und O2: Dobson-Unit: 1 DU entspricht Ozon-Schichtdicke von 0,01 mm unter Normalbedingungen 1 DU = 1,5 ppb vgl.: IPCC, 2001. Skala: DLR, 2008 http://www.welt-der-physik.de vgl. Bundesamt für Strahlenschutz • Ozon in der Troposphäre:(0 - 10 km Höhe) • anthropogen verursacht • 10 - 120 ppb (7 - 78 DU) • schleimhautreizend (ab 100 ppb)

  21. Ozon in der Stratosphäre Ozon Messgerät: Dobson-Spektrometer (Dobson, 1926) Intensitätsvergleich UV-C / UV-A Natürlicher Ozonkreislauf: a) chemisch: Chapman-Zyklus O3UV-B O2 + O* O2UV-C 2 O* vgl. Universität Oxford, FB Physik geographisch: Brewer-Dobson-Zirkulation 1. Ozonbildung in den Tropen 2. Luftmassentransport in Polarregionen Ausnahme Polarwinter: Kaltluftwirbel bildet sich um Antarktis und blockiert Zufuhr ozonreicher, tropischer Luft. http://www.wetter24.de vgl.Alfred-Wegener-Institut

  22. Ozon in der Stratosphäre Ozon • Gestörter Ozonkreislauf: λ λ vgl. IPCC, 2007 (verändert) vgl. UNEP, 2010 (verändert)

  23. Ozon in der Stratosphäre Ozon • Ozonloch: • 1985 entdeckt • Definition: Dicke < 220 DU • (= 2,2 mm u.Nb.) • Ozonabbau durch FCKW: Entwicklung: 1 Chlor-Radikal hat eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten und kann bis zu 100.000 Ozonmoleküle spalten! http://www.datenbank-europa.de Darstellung jeweils Oktober. Nach: NASA(verändert)

  24. Stratosphäre: Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt Ozon • Troposphäre: Erwärmung Temperatur- Anstieg • Stratosphäre: Abkühlung Obere & mittlere Stratosphäre: O3-Abbaureaktionen verlangsamt Untere Stratosphäre: Wolken < 80°C Schadstoff-Eiskristalle Ozonabbau Dynamische atmosphärische Durchmischungsprozesse: Spurengas-Umverteilung Verminderter Ozonabbau Erhöhter Ozonabbau ?

  25. Ozon in der Troposphäre Ozon Natürlich: • Ozonbildung Ozonabbau • NO2+ O2 NO + O3 • O3 O2 • HO2●OH ● • CO2CO, O2 NO2 ist durch sichtbares Licht spaltbar, O3 hingegen nur durch UV-B-Strahlung. λ CO-Quelle: Methan (Zwischenprodukt: Formaldehyd) CH4 + O2→ CH2O + H2O CH2O + 2 OH●→ CO + 2 H2O NO2-Quellen: Gewitter, Brände Vgl. Möller: Troposphärisches Ozon. UWSF, 12 (4), 2000. • Ozonbildung> Ozonabbau Gestört: Nach: Washington County, Maryland (veröndert)

  26. Ozon in der Troposphäre Ozon • Ozonbildung> Ozonabbau • Voraussetzungen für Ozonbildung: • a) Licht für NO2-Spaltung (nachts: O3-Abbau) • b) Konzentrationsverhältnisse: • normal: c (NO2) > c (NO) • Grund:VOC erzeugen NO2. VOC+ NO NO2 • Folge: NO2 erzeugt Ozon. NO2 + O2 NO + O3 • Ausnahme : c (NO2) >> c (NO) • Folge 1: Radikale bauen NO2 ab. NO2NO • Folge 2: Weniger NO2 für O3-Bildung. • aber auch: mehr NO => mehr NO2 => mehr O3 Gestört: Die Beziehung von Ozon, Stickoxiden und VOC ist komplex und nichtlinear! Je nach Konzentrations-Verhältnissen: λ OH ● OH ● RO ●, RO2 ● HO2 ● NOx↑↓ O3↑↓ VOC ↑↓

  27. Troposphäre: Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt Ozon VOC CH4 VOC, CH4 und O3 sind treibhausaktiv. Emissions-Reduktion mindert Treibhauseffekt und troposphärisches Ozon! O3 NOx HO2● CO CH4 und CO erhöhen das Ozon-Jahresmittel. VOC und NOx verursachen Ozon-Spitzenwerte. Ozon global: a) Natürlich: 30 ppb b) Spitzenwerte: 120 - 170 ppb c) Mittel heute: 40 ppb Vgl. Metz (Hrsg.): Im Spannungsfeld zwischen CO2-Einsparung und Abgasemissionsabsenkung. Expert Verlag. Remmingen, 2008. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) , 2008.

  28. 4. SAURER REGEN Leitfragen: • Was ist Saurer Regen? • Welche Folgen hat er? • Wie ist die Entwicklung in Deutschland? • Wie ist die globale Entwicklung?

  29. Was ist Saurer Regen? Saurer Regen • Niederschlag: • a) Natürlich: leicht sauer (pH 5,6) • CO2 + H2O H2CO3 • b) Gestört:sauer (pH < 5,0) • SO2 + H2O H2SO3 • 2 SO2 + O2 2 SO3 • SO3 + H2O H2SO4 • 2 NO + O2 2 NO2 • 2 NO2 + H2O HNO2 + HNO3 Regen, Nebel, Schnee, Hagel…

  30. Folgen Sauren Regens Saurer Regen Vegetation Emission Verfrachtung Immission Saurer Regen Ozon Nach: BMELV, Waldzustandserhebung 2009 (v.) Klima-wandel http://www.karikatur-cartoon.de Gewässer http://www.irishlime.com England: Emission Nach: Norwegian Institute forWater Research, 2010 (verändert) Skandinavien: Immission H3O+ + OH–→ 2 H2O 80er Jahre: Seen in Skandinavien zum Teil pH < 3,0. Haushalts-Essig: pH 2,5. CaCO3 + 2 H3O+→ CO2+ 3 H2O + Ca2+ Ca2+ + SO42-→ CaSO4 Gebäude El Tajín, Mexiko. UniversitätMexiko, 2010 Calciumcarbonat (Kalksandstein, Beton, Marmor) Calciumsulfat (Gips) Erosion

  31. Entwicklung in Deutschland Saurer Regen 1985 - 2010: Anstieg des pH-Wertes von 4,4 auf 5,0 Vergleiche: Natürlich: pH 5,6 Gestört: pH < 5,0 Daten: Umweltbundesamt, 2010 • SO2-Entwicklung 1985 - 2010: • NOx-Entwicklung 1985 - 2010: Daten: Umweltbundesamt, 2010 Starker Rückgang (– 70 %) Mäßiger Rückgang (– 40 %)

  32. SO2 und NOx in Deutschland Saurer Regen Schwefeldioxid: Gegenmaßnahmen: • Verwendung schwefelreduzierter Kraftstoffe • Rauchgas-Entschwefelung (Kalkwäsche): • SO2 + Ca(OH)2 → CaSO3 + H2O • CaSO3 + O2 → CaSO4 Daten: Umweltbundesamt, 2010 Daten: Umweltbundesamt, 2010 NOx-Emissionen 2010 größtenteils anthropogen SO2-Emissionen 2010 fast komplett anthropogen Gegenmaßnahmen: • Katalysatoren • Rauchgas-Entstickung: Zahlreiche Verfahren (DeNOx) • z.B. Reduktion mit Ammoniak: • NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O Calcium-sulfat Stickoxide: • Gründe für nur mäßigen Rückgang: • - Ozonchemie: O3 ↔ NOx↔ VOC • Lachgasemissionen: 2 N2O + O2→ 4 NO • Diesel-Oxidationskatalysatoren: Erhöhter NO2-Ausstoß λ Stickstoff + Wasser Schwefeldioxid + Löschkalk Stickoxide + Ammoniak Calcium-sulfit

  33. Globale Entwicklung Saurer Regen • Emissionen weltweit • Europa: Trend sinkend • Schwellenländer (v.a. Asien): • Wirtschaftliche Entwicklung • Trend steigend Daten: Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR) , 2010

  34. 5. ZUSAMMENFASSUNG

  35. Zusammenfassung: Luft und Luftverschmutzung O3 CH4 SF6 H2O VOC Treibhauseffekt CO2 FCKW N2O SO2 CO Ozon Saurer Regen NOx HO2● OH●

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